CO2汽车空调器

周子成

1 引 言

1977年中国汽车产量为134万辆,2007年达到888万辆,2010年达到1826.47万辆,其中乘用车1375.78万辆,远远超过美国,居世界第一位。

目前,不论是在我国还是在外国,几乎每辆乘用车都安装有空调器。汽车空调制冷剂泄漏到大气,使环境大气中CO2含量增大,同时,汽车空调消耗燃油变成排气所排放的CO2也相当可观,这些都造成大气中的温室效应,使全球气侯变暖。

由于R12在全世界范围内早已被禁止使用于汽车空调,目前极大多数汽车空调中使用的制冷剂是R134a,它的GWP是1300,排放到大气中对环境产生相当大的温室效应。

图1表示全世界累计生产和释放到大气中的R134a的当量CO2值,按照这个趋势,如果R134a继续使用下去,未来大气中的当量CO2排放量将随着年代的增加呈抛物线上升。欧盟指令2006/40/EC规定,从2011年1月1日开始,GWP高于150的制冷剂被禁止在欧洲新生产的车型中使用。因此,限制和取代R134a在汽车空调中的使用已成为世界各汽车制造业和制冷行业共同的迫切任务。

CO2被认为是一种在汽车空调中替代R134a的理想制冷剂。它是一种自然制冷剂,不燃,无毒,无已知的致癌、致突变或其他有毒的危害影响,对环境产生的温室效应很小,GWP只有1,即只有R134a的1300分之一。

早在1990年,挪威科学家劳伦曾教授提出了CO2跨临界循环并获得了专利,且与同事合作在他的研究所研制出CO2汽车空调样机。劳伦曾与佩特森于1992年首次发表了二氧化碳应用于汽车空调上的实验数据和实验室样机系统,表明它与当时流行的R12汽车空调系统相比,COP有优势。1994年欧洲一些公司发起成立RACE联合研究项目,联合欧洲一些大学、研究所、汽车制造厂共同研究CO2汽车空调系统,并完成样机试验。该项目包括开发和安装在汽车上的原型系统的测试结果,证实二氧化碳汽车空调具有竟争的潜力。项目成员包括宝马(BMW)、戴姆勒奔驰 (Daimler-Benz)、陆虎(Rover)、沃尔沃 (Volvo)、大众 (Volkswagen)等汽车制造商,以及汽车空调系统供应商贝洱 (Behr)、法雷奥 (Valeo)和一家欧洲的压缩机制造商丹佛斯(Danfoss)。德国汽车工业学会 (VDA)组织了几家汽车生产厂对CO2汽车空调进行了道路试验,证明了比R134a汽车空调节油、GWP低。1996年德国康瓦克塔公司研制出安装在城市巴士公共汽车上的CO2空调,并进行了运行试验。美国制冷空调中心也开发了第一代CO2汽车空调样机,与在福特汽车上使用的R134a汽车空调相比,制冷量更大,COP更高。2002年开发并测试了第二代样机,进一步得出同样的结论。我国上海交大于2002年也研发出CO2汽车空调样机。

图1 全球累计生产和释放到大气中的R134a制冷剂所产生的当量CO2

2 CO2汽车空调系统及其组成部件

2.1 系统流程

图2表示了劳伦曾与佩特森于1992年发表的CO2汽车空调系统流程和相应的p-h图。系统由压缩机、冷却器、回热器、膨胀阀、蒸发器、贮液分液器和管路组成。贮液分液器位于蒸发器的下游,以防止压缩机湿压缩,热力膨胀阀控制蒸发器出口制冷剂的过热度,避免进入压缩机的制冷剂气体温度过高,虚线表示回油到压缩机。至今的CO2汽车空调仍然使用这样的系统。

2.2 换热器

汽车空调对结构紧凑和重量轻有严格的要求。因为它的安装空间小,同时它的重量直接关系到汽车行驶时的油耗量。

结构紧凑性的指标是每单位换热器体积的空气侧换热表面积(m2/m3)。通常汽车空调换热器的特征如表1所示。因此要求采用强化传热的高效、轻型换热器,通常用铝和铝合金作材料,而不使用铜。二氧化碳的热物性具有低粘度、高导热性、高蒸气密度的优点。这些优良的性能使蒸发器,回热器,气体冷却器中传热效果好。为了使CO2在管内流动时有一定的流速,要求使用小管径的换热管。因此,微通道换热器很适合在CO2汽车空调中使用。

图2 跨临界循环CO2流程图和压焓图

表1 汽车空调紧凑式换热器的特征

另一方面,正确的设计可以使CO2跨临界循环系统的气体冷却器与冷却它的空气之间实现比较大的平均换热温差,有利于缩小换热器的面积,如图3所示。图中CO2的温度变化有两条曲线,实线是CO2冷却器与R134a冷凝器按照等平均温差设计的CO2温度变化,虚线是按照等出口温度设计的CO2温度变化。

图3 CO2气体换热器中制冷剂和空气沿回路的温度变化

图4 a)表示了汽车空调制冷剂侧传热系数与壁温和制冷剂饱和温度之差间的关系,图4 b)表示了空气侧的传热系数与空气温度与壁温之差间的关系,可以看出,空气侧传热系数只有制冷剂侧传热系数的5%～20%,因此,空气侧换热表面需要增加翅片。

图4 制冷剂测的传热系数a)和空气测的传热系数b)

图5表示了CO2微通道换热器空气侧的两种翅片型式。a)是偏移条带翅片,b)是百页窗翅片,由于图a)的型式加工复杂,成本较高,因此图b)的型式使用较广。

2.3 压缩机

CO2汽车空调压缩机与R134a汽车空调压缩机不同,但压缩机的设计基本上仍然保持与典型的R-134a的汽车空调压缩机相似。

CO2压缩机具有壁厚更大的外壳,更加耐用的轴封和轴承,部件与轴承间间隙更小。它的机型仍是采用斜盘/斜板或涡旋等型式,用皮带驱动。

生产CO2压缩机的工厂已较多,主要有Danfoss、Doowon、电装、Bock等,均已有批量产品。

CO2压缩机由于运转接近临界点,压比是相当低的。在相同的制冷量时,CO2压缩机的压比只有R134a压缩机的3/5,活塞排量只有R134a的1/7。因此,CO2压缩机的绝热压缩效率和容积效率均比R134a压缩机高。

图6表示了由美国伊里诺依斯大学测定的CO2压缩机和R134a压缩机的总效率比较。可以看出,在R134a的最高转速 (4000r/mim)时,CO2压缩机的总效率比R134a压缩机的总效率高79%。

图7表示了CO2压缩机和R134a压缩机容积效率比较,在1000r/min时,CO2压缩机比R134a压缩机高13%,在2750r/min时,CO2压缩机比 R134a压缩机高27%。

图8表示CO2与R134a的p-V图。由图8可看出,CO2的行程容积较小、余隙容积也较小,膨胀过程的容积损失也较小。

图8 CO2与R134a的 p-V 图

3 CO2与R134a汽车空调LCCP比较

LCCP称为生命周期气候性能 (Life Cycle Climate Performance)。这一概念是由美国Arthur D Little公司于1999年提出的,它是用来评价制冷剂对全球气候变暖影响的指标。

制冷剂在汽车空调中使用时对全球气候变暖的影响,除了考虑制冷剂的直接影响和间接影响外,还需要考虑汽车空调系统在汽车行驶时的影响。

图9表示了装备R-134a空调的汽车,在亚洲地区每年平均行驶15 000km时的LCCP(图a)和燃油耗量 (图b)。在孟买,它在15年寿命中排放出约10公吨的温室气体二氧化碳当量。如果汽车装备CO2空调,温室气体排放量可以减少40%。现行的R134a汽车空调系统运行所需的燃料消耗量估计约为3000立升/15年,如果汽车装备CO2空调,在新德里,因气候比孟买暖,R134a系统的温室气体排放量将超过11公吨,汽车空调汽油消耗量也增大到3500立升/15年。相比之下,一台CO2汽车空调可节省855公升汽油。一辆汽车在新德里行驶时,汽车空调的温室气体总排放量将比在孟买减少4.5公吨。

在中国,由于所选择的比较城市上海和北京的气温均较印度低,每台汽车空调车辆的温室气体总排放量比印度少。在上海,当装备了R134a的汽车空调系统时,汽车排放量约4.8公吨。如果是CO2汽车空调系统,这个值可以减少一半以上。

图10是在欧洲气候R134a和CO2汽车空调的LCCP(图a)和燃料消耗量 (图b)。运行在欧洲南部的车辆的汽车空调系统,当每年行驶12 500km时,在其12年的运行中排放约3.5公吨温室气体当量值,如果R134a汽车空调系统密封性好,这个值可以减少到2.4公吨。而CO2汽车空调系统在欧洲将减少约50%的温室气体排放量,在中欧将减少63%的排放量。

R134a汽车空调系统每年的额外燃料消耗量与CO2汽车空调系统相比,在雅典温暖地区约多消耗18公升汽油,欧洲北部则多消耗1公升汽油。

4 结论

CO2作为汽车空调制冷剂,从减弱对全球气候变暖的影响、安全性好、效率高、燃料消耗量小、体积小、重量轻等方面分析,都优于当前使用的R134a制冷剂。是一种在汽车空调中使用有前途的制冷剂。

[1]Walter Reulens,Nature Refrigerant CO2,2009

[2]Almin Hafner and Petter Neska,Global environmental&economic benefits of introducing R744mobile air conditioning,MAC-summit Shanghai,2008